磁懸浮技術在某公共機構中央空調系統技術改造中的應用及節能效果分析

李慧娟，譚祥詩，王黎

（廣州匯錦能效科技有限公司，廣州 510640）

0 引言

《中華人民共和國節約能源法》第四十七條列明了公共機構的定義及提出了對公共機構節能的要求：公共機構應當厲行節約，杜絕浪費，帶頭使用節能產品、設備，提高能源利用效率。本法所稱公共機構，是指全部或者部分使用財政性資金的國家機關、事業單位和團體組織。加大既有建筑節能改造力度，推進綠色高效制冷行動，重點推進空調系統節能改造，加強智能管控和運行優化，是國家“十四五”期間對公共機構開展節能工作的要求［1］。

盡管公共機構的能源資源消耗占全社會消耗的比例較小，但是公共機構的社會屬性決定了其在社會中具有顯著的示范引領作用，因此公共機構節能工作意義重大。公共機構帶頭節約能源資源，可以在全社會中起到表率作用，對增強全社會的節能意識和形成良好的節能氛圍起到示范與引導作用［2］。對公共機構自身而言，開展節能工作能有效減少能源資源浪費，提高能源資源利用率，節約財政支出，進而降低行政運行成本，提高行政效能［3］。

根據中國空調制冷網的調查結果［4］，公共機構的能耗主要是由建筑物能耗構成的，其占據公共機構能耗總量的70%。在建筑物能耗中，以最常見的辦公建筑電耗結構為例，空調、照明、辦公設備、電梯占據98%的能耗總量，其中空調系統電耗占辦公建筑能耗最多，為59.95%，照明電耗占21%，辦公設備電耗占13%，電梯電耗占4%。可見空調系統在辦公建筑能耗中耗電量最多，其節能潛力巨大。而在中央空調系統中，冷水機組能耗又占其能耗的50%～70%［5］，因此從改造高耗能舊設備入手，選用高效節能的冷水機組是中央空調系統節能減排的重要措施。

本文以某公共機構既有辦公建筑為例，介紹了其中央空調系統節能改造項目中所用到的節能技術，通過項目實施，大大改善了辦公環境舒適度并達到了節能減排的效果，為公共機構綠色高效制冷系統建設或中央空調系統節能改造項目提供一定的借鑒。

1 項目概況

本案例實施中央空調系統節能改造的既有辦公建筑位于廣州市中心，是一棟26層高的一類高層公共建筑。

1.1 原系統設備狀況

該辦公建筑中央空調冷水機房位于負一層，經現場勘察，原系統設備配置情況如下：2臺約克品牌定頻水冷螺桿式冷水機組，2007年12月投入使用，制冷量為1 122 kW，COP＝5.23；3臺冷凍水泵（2用1備），3臺冷卻水泵（2用1備）；2臺雙風機側出風橫流冷卻塔，安裝于四樓設備層，單臺循環水量為300 m3/h，總電機功率為5.5×2 kW。

1.2 原系統存在問題

（1）原冷水機組運行時間將近15年，基本接近設備的使用壽命，制冷能效嚴重衰減，能耗逐年遞增，且多次發生故障，維保、維修成本高。另外該冷水機組使用的冷媒為已被國家列入淘汰的R22，此冷媒產量少且價格高。

（2）原冷水機組為定頻控制，通過滑閥調整負荷，其COP隨負荷率的升高而增大，滿負荷情況下機組能效最高。而該辦公建筑內空調冷負荷受季節影響較大，全年有較多的時間冷水機組運行在部分負荷的狀態。且辦公樓晚上有部分人員加班，為保證加班人員工作環境舒適性，晚上中央空調持續供冷，冷水機組此時供冷負荷較小（不足15%），導致設備的整體運行效率較低。

（3）原冷卻水系統、冷凍水系統都采用了定流量一級泵系統，在絕大部分運行時間內，空調水系統處于大流量、小溫差的狀態，不利于節約水泵的能耗［6］。另外，原冷凍水泵和冷卻水泵額定流量偏小，且管網的水阻力較大，導致運行1臺冷水機組需同時運行2臺冷凍水泵和2臺冷卻水泵，運行能耗偏高；原水泵配套的電機均采用了已被列入國家明令淘汰目錄的Y2系列電機，能效低下。

（4）2臺冷卻塔的電機外表已銹蝕嚴重，且換熱填料老化及結垢嚴重，部分補水管也已銹蝕開裂。

（5）原中央空調系統無智能管控功能，設備都是通過現場人工啟停，整個中央空調系統無法根據負荷自動加減載設備或控制水泵變頻，運行能耗高。尤其每次冷卻塔的啟停都要前往安裝在四樓設備層的啟動柜人工現場操作，給運維人員帶來極大不便。

（6）中央空調機房位于負一層，在供冷季節，機房設備運行產生噪聲引起地面的振動，嚴重影響一樓辦公舒適性以及一樓會議室的使用。

2 改造內容

針對以上存在的問題及綜合考慮該辦公建筑功能情況，對原中央空調系統實施了以下改造內容。

2.1 更換高能效的磁懸浮變頻離心式冷水機組

名義工況性能系數COP和綜合部分負荷性能系數IPLV是評價冷水機組能效特性的重要指標［7］，但辦公建筑所使用的冷水機組絕大部分時間是在部分負荷下運行的，采用冷水機組滿負荷運行時的COP值評價冷水機組性能指標存在一定的片面性，所以冷水機組在整個空調運行期間的綜合部分負荷效率IPLV值才能真實體現冷水機組的節能性。更換2臺1級能效的磁懸浮變頻離心式冷水機組，制冷量為1 150 kW，COP值為6.42，IPLV值為9.85，制冷劑為R134 a。

目前在用的定頻螺桿式冷水機組，運行效率低，能源消耗大，而高能效的磁懸浮變頻離心式冷水機組采用磁懸浮技術——磁軸承和定位傳感器利用由永久磁鐵和電磁鐵組成的徑向軸承和軸向軸承組成數控磁軸承系統，實現壓縮機的運動部件懸浮在磁襯上無摩擦地運動［8］。

磁懸浮變頻離心式冷水機組除了壓縮機采用永磁高速電機直接驅動，同時還集成了變頻調速技術，通過控制制冷劑流量、調整轉速，保證壓縮機在部分負荷下始終處于高效壓縮狀態［9］，使機組具有極高的綜合部分負荷效率IPLV，部分負荷運行下磁懸浮機組較普通離心機、螺桿機有明顯節能。除此之外，磁懸浮冷水機組還有以下優點。

（1）無潤滑油系統，無需定期更換潤滑油、油過濾器，無需定期維護油路系統，比傳統冷水機組維護費用減少50%；解決傳統冷水機組回油問題，極大改善冷量衰減，機組的效率大大提升；由于無齒輪摩擦，磁懸浮軸承無磨損，機組可靠性提高，使用壽命可長達30年。

（2）無級變頻，可實現10%～100%無級調節，溫度控制精準，且低負荷時機組能夠自動避開喘振運行，不存在傳統機組的喘振問題。

（3）啟動電流小，只有2 A，對電網無沖擊且大大降低了啟動能耗。

（4）采用R134a環保冷媒，對臭氧層零傷害。

（5）機組振動噪聲低，運行時聲壓級噪聲低至70 dB。

由此可見更換的機組節能性更佳且噪聲更小。為進一步降低冷水機組的噪聲以及振動的傳導對一樓大堂及會議室的影響，為機組及管道支架加裝了彈簧減震器，并在機房四周安裝了隔音材料。

2.2 更換輸配系統的水泵及電機并加裝變頻裝置

原有冷凍水泵及冷卻水泵的流量及揚程選型偏小，導致在開啟1臺主機的情況下需同時開啟2套水泵，開啟2臺主機需同時開啟3套水泵，極大增加了能耗。更換的水泵按兩用一備且冷水主機與水泵的1對1配套運行重新配置流量與揚程，改造前后水泵參數如表1所示。

表1 水泵改造前后設備參數

原配套的Y2系列電機屬于國家淘汰的型號，已不符合國家對水泵的效率要求［10］。因此同步更換配套新水泵的2級能效節能高效電機，并增加彈簧減震器。

原冷凍水泵和冷卻水泵均為工頻運行，更換的水泵可在25～50 Hz范圍內變頻，本次改造額外為水泵加裝變頻控制裝置，系統根據負荷情況自動調節水泵頻率，節約水泵的運行能耗。

2.3 更換節能高效冷卻塔并改造啟動柜

原有冷卻塔已使用近15年，老化較嚴重，更新2臺節能高效環保的冷卻塔，并對原有冷卻塔啟動柜進行自動化改造，將冷卻塔控制信號、狀態信號等相關輸入輸出信號接入冷源管理控制柜，使之與群控系統進行有機整合，實現所有冷卻塔的自動增減投入和切換現場手動/遠程啟停控制。

2.4 增加機房群控系統實現智能管控

原中央空調系統所有設備的配合運行只能通過管理人員手動調節，改造后的中央空調系統，其冷水機組和變頻水泵的節能運行離不開合理的運行控制方案［11］，使整個系統發揮最大的節能性。本次改造增加機房群控系統，加裝冷源管理控制柜及各類傳感裝置及檢測儀表，實現對冷水主機、水泵、冷卻塔進出水溫度、冷凍水流量、主機制冷量以及電氣參數的持續實時在線監測并進行聯動控制，在智能控制＋設備改造協同機制下，使中央空調系統得以始終運行在高能效狀態下，實現節能降耗，提高經濟運行能力。其具有以下功能：（1）可實現冷水機組、水泵及冷卻塔遠程/自動啟動；（2）可根據冷負荷自動調節設備運行臺數、輸配系統的水泵變頻；（3）可對設備的重要參數進行統計，并可導出報表數據；（4）實現無人值守，并且對發生故障的設備觸發報警提醒。

機房群控系統控制界面如圖1所示。

圖1 機房群控系統控制界面

2.5 增加1臺風冷模塊冷水機組保證加班供冷

對于辦公樓晚上有部分人員加班的情況，經測算需要提供約130 kW制冷量以保證局部辦公的供冷條件。為進一步節約能耗，為晚上加班供冷選用1臺制冷量為130 kW風冷模塊冷水機組以及2臺冷凍水泵（1用1備），安裝在四樓設備層冷卻塔附近，通過安裝冷凍水泵管接入位于同層的中央空調供回水總管立管。增加風冷模塊冷水機組系統示意圖如圖2所示。

圖2 安裝在四樓設備層的風冷模塊冷水機組示意圖

3 節能效果

3.1 冷水機組更換前后節能效果對比

該項目8月1日更換了第1臺磁懸浮變頻離心式冷水機組并投入運行，對單臺冷水機組更換前后運行數據進行手工記錄，此時水泵尚未更換，水泵變頻柜尚未安裝，機房群控系統尚未搭建，通過記錄主機控制柜顯示屏上的冷凍水、冷卻水供回水溫度，記錄機房控制室斷路器LCD顯示屏上顯示的機房設備總電流讀數，數據整理如表2所示。

表2 單臺冷水機組更換前后運行數據

對比室外溫度同為31℃的7月7日和8月11日抄表記錄，改造前系統總電流598 A，改造后為359 A，節電率為39.97%。

3.2 磁懸浮冷水機組運行實測能效分析

機房群控系統搭建后，可對改造完成后的運行數據進行監控記錄，系統定期采集輸配系統冷凍水、冷卻水的供回水溫度、冷凍水流量，以及各耗能設備（冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔）的耗電量［12］。通過實測數據，群控系統可自動計算出系統制冷量及冷水機組耗電量等，可分析改造后冷水機組的運行能效情況。現根據9月下旬的實測數據分析本項目磁懸浮冷水機組的實際運行特點，如圖3所示。由圖可知，9月下旬機組負荷率基本集中在45%～75%之間，隨著負荷率的升高，磁懸浮變頻離心式冷水機組COP逐漸減小。總體來看，系統大部分時間都運行在磁懸浮機組的高效區間范圍內。

圖3 磁懸浮冷水機組COP與負荷率關系

3.3 機房整體能效實測評價

機房整體能效EER（Energy Efficiency Ratio）是評價高效機房的標準，EER即空調系統制冷機組全年累計制冷量與空調系統制冷設備（冷機、水泵、冷卻塔等）全年累計耗電量比值，其不僅與機組能效有關，同時受水泵和冷卻塔的影響［13］。通過實測數據，群控系統可自動計算出實時EER值，9月下旬系統運行的EER數據如圖4所示。由圖可知，這段時間的EER平均值為3.84，依據DBJ/T 15-129-2017《集中空調制冷機房系統能效監測及評價標準》［14］對制冷機房系統運行能效進行分級，達到二級能效標準。

圖4 系統運行EER值

4 結束語

本項目原有的冷水機組使用年限已久，噪聲大，舒適度下降，故障率增加且能耗逐年上升。磁懸浮機組的無油運行和變頻技術帶來的高效、穩定、低維保成本、無喘振、低噪聲等優勢［15］，與原定頻水冷螺桿式冷水機組相比，磁懸浮變頻離心式冷水機組具備更高的部分負荷能效比，擁有更高的COP和IPLV，節能性更佳。

開展公共機構建筑空調系統節能改造建設工作，要以提高空調系統能源資源利用效率、降低能源資源消耗、改善室內環境為核心，以建設綠色高效空調系統、促進公共機構建筑節能減碳為目標，堅持“因地制宜，以點帶面，穩步推進，注重實效”的原則，重點依靠管理和技術進步，著力推進體制和機制創新，充分發揮公共機構在推進生態文明建設中的表率示范作用。